一种基于介电材料的极化旋转超材料及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于介电材料的极化旋转超表面，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，介质基板均匀排列成平面阵列设置于金属基板之上，介质基板呈圆形带缺口结构，介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，介质基板粘贴于金属基板上。本发明专利技术为克服基于金属结构的超表面的局限性，本发明专利技术采用介电材料进行设计，能够充分发挥介电材料的特点，弥补金属结构的不足，同时本发明专利技术提供的基于介电材料的极化旋转超表面，可对入射电磁波产生极化转换特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超表面设计
，更具体的涉及一种基于介电材料的极化旋转超表面及其制作方法。
技术介绍
超表面(Metasurface)是对电磁波具有调控作用的周期性表面，可通过对电磁波的幅值、相位等参数的调控，改变电磁波的传输特性。利用超表面可以实现对电磁波的反常反射，反常透射，极化旋转，平板聚焦等功能。一般来说，典型的超表面是基于金属结构设计的，金属结构虽有诸多优点，但在抗氧化性、耐腐蚀、耐高温以及高功率等方面具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于介电材料的极化旋转超表面及其制作方法，通过引入高介电常数介电材料，对其进行结构化设计，能够使得电磁波作用于其上时产生极化旋转。本专利技术是这样实现的，一种基于介电材料的极化旋转超表面，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，所述介质基板均匀排列成平面阵列设置于所述金属基板之上，所述介质基板呈圆形带缺口结构，所述介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，所述介质基板粘贴于所述金属基板上。本专利技术的特点还在于，所述介质基板采用介电材料制成。本专利技术的特点还在于，所述金属基板为铜板。本专利技术的特点还在于，所用介电材料为微波介电陶瓷。本专利技术的特点还在于，微波介电陶瓷的介电常数在1-1000之间，损耗在0.0001-0.1之间。本专利技术的特点还在于，所述介质基板的几何参数要求如下：1mm≤R≤5cm，0.2mm≤d≤8cm；其中R表示为介质基板的半径，d表示为介质基板的厚度；介质基板与相邻介质基板之间的横向间距a和纵向间距b满足1mm≤a＝b≤10cm。本专利技术还提供了上述基于介电材料的极化旋转超表面的制作方法，其制作方法是：将介质基板通过胶以均匀排列成平面阵列的方式粘贴于金属基板上。相对于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术为克服基于金属结构的超表面的局限性，对介电材料进行设计，能够充分发挥介电材料的特点，弥补金属结构的不足，同时本专利技术提供的基于介电材料的极化旋转超表面，可对入射电磁波产生极化转换特性。附图说明图1为本专利技术基于介电材料的极化旋转超表面的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中介电常数为110的仿真S参数图；图3为本专利技术实施例1的理论分析图；图4为仿真计算u、v极化波垂直入射时的同极化反射系数幅度和同极化反射相位结果图；图5为仿真计算得到的v、u极化波垂直入射时的同极化反射相位差结果图；图6为本专利技术实施例2中介电常数为85的仿真S参数图；图7为本专利技术实施例3中介电常数为300的仿真S参数图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供的一种基于介电材料的极化旋转超表面，如图1所示，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，介质基板均匀排列成平面阵列设置于金属基板之上，介质基板呈圆形带缺口结构，介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，介质基板粘贴于金属基板上。上述介质基板采用介电材料制成，金属基板为铜板，所用介电材料为微波介电陶瓷，微波介电陶瓷的介电常数在1-1000之间，损耗在0.0001-0.1之间。介质基板的几何参数要求如下：1mm≤R≤5cm，0.2mm≤d≤8cm；其中R表示为介质基板的半径，d表示为介质基板的厚度；介质基板与相邻介质基板之间的横向间距a和纵向间距b满足1mm≤a＝b≤10cm。本专利技术实施例还提供了上述基于介电材料的极化旋转超表面的制作方法，其制作方法是：将介质基板通过胶以均匀排列成平面阵列的方式粘贴于金属基板上。本专利技术研究设计的极化旋转超表面，采用呈圆形带缺口结构的介质基板设置于金属基板上，能够使旋转超表面沿其一个轴表现为高阻抗表面，而另一正交轴上表现为金属反射表面，两个轴向上的反射波分量获得180°相位差。当入射线极化波极化方向对旋转表面对称轴成45°时，反射波极化方向被旋转90°。从而实现对入射电磁波产生极化旋转特性。下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。实施例1本实施例使用圆形带缺口非对称介质结构介质基板，介质基板采用介电材料制成，具体的，所用介电材料为微波陶瓷。陶瓷制备所使用的原材料包括无水碳酸钡、氧化镁、无水碳酸锶、二氧化钛、氧化镧，其化学计量比为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3。将微波陶瓷制备成圆形带缺口非对称结构，然后在金属基板上周期排列形成极化旋转超表面。该结构具有在特定微波频段的介质谐振特性，使得电磁波极化发生改变。在各谐振频率，旋转表面沿其一个轴表现为高阻抗表面，而另一正交轴上表现为金属反射表面，两个轴向上的反射波分量获得180°相位差。当入射线极化波极化方向对旋转表面对称轴成45°时，反射波极化方向被旋转90°。本例可实现的转换效率在90％以上。本实施例的具体准备过程为：(1)本例采用的采用介电材料为陶瓷材料，其化学式为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3。具体制备工艺如下：原料在无水乙醇中以ZrO2球为媒质行星球磨24小时，烘干研磨得到干粉。将所得无水碳酸钡、无水碳酸锶、二氧化钛粉料在1200℃空气中预烧2小时保温2小时，二氧化钛、氧化镁、氧化镧预烧粉料在1400℃空气中预烧2小时保温2小时，将得到的两种粉料过筛烘干。将分析纯的无水碳酸钡、无水碳酸锶、二氧化钛、氧化镁、氧化镧置于150℃条件下烘干10小时，按化学计量比为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3配料。将两种粉料以7：3的比例在无水乙醇中再次行星球磨12小时进行混合，烘干混合物料后加入聚乙烯醇手工研磨造粒(100目筛)，制成陶瓷粉体。(2)将陶瓷粉体加入内径为10mm的圆柱形模具之中，利用压机在一定压力下干压成型制备圆柱形陶瓷生坯，通过烧结得到致密陶瓷。(3)使用矢量网络分析仪及谐振腔测试系统测定圆柱形陶瓷的相对介电常数。对于本例使用的陶瓷，其相对介电常数为110，损耗为0.0015。(4)使用CST等电磁仿真软件，结合上述步骤确定的介质材料的电磁参数进行结构设计与仿真计算，在此基础上进行结构形状与几何参数的优化。(5)利用模具钢制备特殊形状陶瓷模具，可为圆形带缺口非对称形状或其他特殊形状，具体形状通过仿真优化给出。将陶瓷粉体加入模具之中，利用压机在一定压力下干压成型制备陶瓷生坯。将坯体在空气中缓慢升温至550℃，保温2小时排除PVA，然后将坯体在1500℃空气中保温烧结4小时，得到致密陶瓷。(6)利用切割机、抛光机等机械设备将烧结得到的圆形带缺口非对称陶瓷加工至给定厚度。并在金属基板上周期排列形成极化旋转超表面。(7)使用矢量网络分析仪及自由空间测试系统对极化旋转超表面进行电磁性能测试。当a＝b＝10mm，R＝3mm，d＝8mm时，用CSTMicrowaveStudio软件进行仿真，得到的S参数如图2所示。从图2可以看出，入射的电磁波发生了极化旋转的效应，其工作频段大约在3.68-4.64GHz和5.08-5.12GHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于介电材料的极化旋转超表面，其特征在于，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，所述介质基板均匀排列成平面阵列设置于所述金属基板之上，所述介质基板呈圆形带缺口结构，所述介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，所述介质基板粘贴于所述金属基板上。

【技术特征摘要】
1.一种基于介电材料的极化旋转超表面，其特征在于，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，所述介质基板均匀排列成平面阵列设置于所述金属基板之上，所述介质基板呈圆形带缺口结构，所述介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，所述介质基板粘贴于所述金属基板上。2.如权利要求1所述的一种基于介电材料的极化旋转超表面，其特征在于，所述介质基板采用介电材料制成。3.如权利要求1所述的一种基于介电材料的极化旋转超表面，其特征在于，所述金属基板为铜板。4.如权利要求2所述的一种基于介电材料的极化旋转超表面，其特征在于，所用介电材料为微波介电陶瓷。5.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈绍波，李立扬，王军，王甲富，马华，冯明德，张介秋，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61